刘俊秋教授团队在Nano Letters上报道关于构筑新型人工质子跨膜通道的研究成果

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近日，我院刘俊秋教授团队在国际著名期刊NANO LETTERS（IF = 11.2）上发表名为“Unimolecular Helix-Based Transmembrane Nanochannel with a Smallest Luminal Cavity of 1 Å Expressing High Proton Selectivity and Transport Activity”的通讯研究论文。
       众所周知，天然通道蛋白可以利用其独特的过滤结构实现对特定离子的高选择性跨膜传递。例如，天然钾离子通道KcsA是一种由四股螺旋组成的倒锥形结构，其内部最小尺寸为2.8 Å与钾离子尺寸高度匹配，能够有效的实现对钾离子的高选择性传递，并通过尺寸效应阻止其它离子的跨膜传输。受此启发，研究人员利用喹啉螺旋构建了一种内径约为1 Å单分子人工质子跨膜通道，由于质子的尺寸非常小，可以轻易地通过该纳米孔道进行跨膜传递。而其它阴、阳离子以及水分子等由于具有较大的空间尺寸则被有效地排除在外。以往的人工质子通道通常是利用孔道内连续的水线结构实现质子的跨膜传递，在这个过程当中尽管可以排除其它离子的通过，但是却无法阻止水分子的传输。而该基于人工螺旋的质子通道内径仅有1 Å，可以有效地将水分子排除在外。单分子膜片钳实验表明，该人工通道对质子的跨膜传输速率达到惊人的107 H+∙s-1∙channel-1，与天然短杆菌肽A的质子传输速率达到同一个数量级。

喹啉螺旋的化学式与空间结构

   随后，研究人员又利用氢-氘交换核磁共振对该质子通道的传输机理进行了详细分析。结果表明，螺旋空腔内部连续排列的NH结构在质子跨膜传递过程当中起到了关键的作用。溶液中水合的质子通过与NH上的活泼氢进行交换，并利用磷脂膜两侧质子浓度差为驱动快速实现选择性跨膜传递。该基于喹啉螺旋的跨膜通道为迄今已知内径最小的人工纳米孔道结构。此外，该工作还发现了一种基于连续NH基团实现质子跨膜传输的新机制。该研究结果对于理解和模拟天然离子通道的传输行为具有重要的生物学意义，也为今后开发人工离子通道在生物医药领域的潜在应用提供了全新的思路。

人工质子跨膜通道的膜片钳单通道电流信号

        杭州师范大学材化学院博士后闫腾飞为论文第一作者，青年教师孙鸿程博士、于双江特聘教授和刘俊秋教授为共同通讯作者，杭州师范大学为第一完成单位。该研究工作得到了国家科技部重点研发计划项目（2020YFA0908500, 2018YFA0901600）和国家自然科学基金（22001054, 22075065）的支持。
       论文连接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03858


       文章来源：杭州师范大学
       刘俊秋，国家基金委杰出青年基金获得者，教育部“长江学者”特聘教授，杭州师范大学教授，博士生导师。主要从事仿生化学、生物超分子组装及智能纳米载药系统等方面的研究工作，近期在生物仿酶、人造捕获系统、高选择性跨膜通道等方面取得了一系列突破性进展。迄今为止在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际知名期刊已发表SCI研究论文180余篇，先后入选吉林省“创新人才工程”、教育部“新世纪优秀人才培养计划”等，并被评为吉林省高级专家（2011），获得吉林省科技进步一等奖1项（排名第一）。先后主持国家自然科学基金重点项目（2项）、国际合作与交流重点项目（1项）、“国家杰出青年科学基金”项目（1项）等。先后培养指导学生获国家优青（1人次）等项目资助。主编英文专著1部，参编6部。担任General Chem., Polym. Sci., J. Polym. Sci. & Res.等杂志顾问编委。